DE19510026A1 - Sulphonated aromatic polyether-ketone used for membrane prodn., etc. - Google Patents
Sulphonated aromatic polyether-ketone used for membrane prodn., etc.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Polymerelektrolyte, die aus einem sulfonierten aromatischen Polyetherketon bestehen, ein Verfahren zu ihrer Herstellung, Verwendung dieser Polymerelektrolyte sowie Lösungen dieser Polymerelektrolyte und Verwendung derselben.The invention relates to polymer electrolytes made from a sulfonated aromatic polyether ketone, a process for their preparation, Use of these polymer electrolytes and solutions of these Polymer electrolytes and use thereof.
Sulfonierte Polyetherketone stellen Kationen-Ionenaustauscher dar. Sie sind nützlich als Membranmaterialien, z. B. zur Ultrafiltration, zur Entsalzung und zur Entfernung von Mikroorganismen, da sie in vielen Fällen auch in Gegenwart von Wasser mechanisch beständig sind. Sulfonierte Polyetherketone sind protonen- und kationenleitende Materialien, die nützlich sind zur Elektrodialyse oder als Bestandteil von elektrochemischen Zellen.Sulfonated polyether ketones are cation-ion exchangers. They are useful as membrane materials, e.g. B. for ultrafiltration, desalination and Removal of microorganisms, since in many cases they are also present in the presence of Water are mechanically resistant. Sulfonated polyether ketones are proton and cation-conducting materials that are useful for electrodialysis or as Part of electrochemical cells.
Ausgangsmaterialien sind aromatische Polyetherketone wie in der allgemeinen Formel (I) angegeben,Starting materials are aromatic polyether ketones as in the general Formula (I) given
[Ar-O-]q-Ar-[[CO-Ar′-]r-O-Ar]s-[CO-Ar′-]t-[O-Ar-]u-CO-] (I)[Ar-O-] q -Ar - [[CO-Ar′-] r -O-Ar] s - [CO-Ar′-] t - [O-Ar-] u -CO-] (I)
wobei
Ar einen Phenylenring mit p- und/oder m-Bindungen,
Ar′ eine Phenylen-, Naphthylen-, Biphenylen-, Anthrylen-
oder eine andere zweiwertige aromatische Einheit,
r, u und s unabhängig voneinander 0 oder 1,
t 0, 1, 2 oder 3,
q 1, 2, 3 oder 4
bedeuten. Das Polymere mit q=1, r=0, s=1, t=0, u=0 ist unter der
Bezeichnung Victrex im Handel verfügbar. Das Polymere mit q = 1, s=0,
t = 2, u = 1 ist unter der Bezeichnung Ultrapek im Handel verfügbar.
in which
Ar is a phenylene ring with p and / or m bonds,
Ar ′ is a phenylene, naphthylene, biphenylene, anthrylene or other divalent aromatic unit,
r, u and s are independently 0 or 1,
t 0, 1, 2 or 3,
q 1, 2, 3 or 4
mean. The polymer with q = 1, r = 0, s = 1, t = 0, u = 0 is commercially available under the name Victrex. The polymer with q = 1, s = 0, t = 2, u = 1 is commercially available under the name Ultrapek.
Polyetherketone sind leicht zugänglich. Sie lassen sich prinzipiell durch eine elektrophile Polykondensation nach Friedel-Crafts aufbauen, wobei ein entsprechendes aromatisches Bissäuredihalogenid mit einem aromatischen Ether umgesetzt wird. Diese Möglichkeit ist z. B. in US-3 065 205, GB-971 227, US-3 441 538, GB-1 387 303, WO 84-03 891 und in dem Aufsatz von Iwakura, Y., Uno, K. und Tahiguchi, T.J., Polym. Sci., Pat. A-1, 6, 3345 (1968), dargestellt. Daneben kann man die Etherketone durch nucleophile aromatische Substitution gewinnen. Hierzu wird ein entsprechendes aromatisches Bisdiol mit einem aromatischen Bishalogenketon umgesetzt, wie es z. B. in: R.A., Clendinning, A.G. Farnham, W.F. Hall, R.N. Johnson and C.N. Merriam, J. Polym. Sci. A1, 5, 2375, (1967), GB-1 177 183, GB-1 141 421, EP-0 001 879, US 4 108 837, US 4 175 175, T.E. Attwood, A.B. Newton, J.B. Rose, Br. Polym. Journ., 4, 391, (1972); T.E. Attwood, P.C. Dawson, J.L. Freemann, L.R.J. Hoy, J.B. Rose, P.A. Staniland, Polymer, 22, 1096, (1981) beschrieben wird.Polyether ketones are easily accessible. In principle, they can be Build up electrophilic polycondensation according to Friedel-Crafts, whereby a corresponding aromatic bisacid dihalide with an aromatic ether is implemented. This possibility is e.g. In U.S. 3,065,205, GB 971,227, US-3,441,538, GB-1,387,303, WO 84-03 891 and in the article of Iwakura, Y., Uno, K. and Tahiguchi, T.J., Polym. Sci., Pat. A-1, 6, 3345 (1968). In addition, the ether ketones can be nucleophilic gain aromatic substitution. For this, a corresponding aromatic bisdiol reacted with an aromatic bishalogen ketone, such as it z. B. in: R.A., Clendinning, A.G. Farnham, W.F. Hall, R.N. Johnson and C.N. Merriam, J. Polym. Sci. A1, 5, 2375, (1967), GB-1 177 183, GB-1 141 421, EP-0 001 879, US 4 108 837, US 4 175 175, T.E. Attwood, FROM. Newton, J.B. Rose, Br. Polym. Journ., 4, 391, (1972); T.E. Attwood, P.C. Dawson, J.L. Freemann, L.R.J. Hoy, J.B. Rose, P.A. Staniland, polymer, 22, 1096, (1981).
Die Herstellung von sulfonierten Polyetherketonen aus einigen dieser Polyetherketone wird beschrieben in EP-A-008 895, EP-A-041 780 und EP-A-575 807.The production of sulfonated polyether ketones from some of these Polyether ketones are described in EP-A-008 895, EP-A-041 780 and EP-A-575 807.
Gemäß EP-A-008 895 wird das zu sulfonierende Polymer bei Raumtemperatur in Schwefelsäure von 98 Gew.-% suspendiert. Der Löseprozeß und die Sulfonierung laufen gleichzeitig ab, wobei allmählich eine sehr viskose Lösung erhalten wird. Diese Lösung wird entweder sich selbst überlassen oder bei gleicher Temperatur mit Schwefelsäure gleicher Konzentration verdünnt. Die Reaktion verläuft sehr langsam. Nach 10 Wochen waren erst ca. 90% der sulfonierbaren Phenylen-Einheiten sulfoniert. In den eingesetzten Polyetherketonen betrug das Zahlenverhältnis von Etherbrücken zu CO-Brücken etwa 2 : 1. Gemäß EP-A-008 895 werden unter diesen Bedingungen nur O-Phenylen-O-Einheiten sulfoniert. According to EP-A-008 895, the polymer to be sulfonated is at room temperature suspended in 98% by weight sulfuric acid. The dissolving process and the Sulfonation take place simultaneously, gradually becoming a very viscous solution is obtained. This solution is either left to itself or at diluted at the same temperature with sulfuric acid of the same concentration. The The reaction is very slow. After 10 weeks, only about 90% were sulfonatable phenylene units sulfonated. In the used The number ratio of ether bridges to CO bridges was polyether ketones about 2: 1. According to EP-A-008 895 only under these conditions Sulfonated O-phenylene-O units.
Nach dem Verfahren gemäß EP-A- 041 780 werden bei erhöhter Temperatur aromatische Polyetherketone, die Copolymere darstellen, sulfoniert. Nur ein Teil der Monomereinheiten (A) ist der Sulfonierung zugänglich, während andere Monomereinheiten (B) nicht sulfoniert werden. Durch das Verhältnis A/B läßt sich so der Sulfonierungsgrad steuern. Jedoch bleiben auch hier die Reaktionsbedingungen während des Löseprozesses und danach unverändert. Entsprechende Homopolymere (A) würden unter den angegebenen Bedingungen zu hoch sulfoniert sein und damit zu wasserlöslichen Verbindungen führen. Da hier die Sulfonierung bereits während des Auflöseprozesses des Polymeren stattfindet, ist es schwierig, den Sulfonierungsgrad zu kontrollieren und niedrig sulfonierte Produkte zu erhalten. Bei dem Verfahren gemäß EP-A-041 780 werden unter diesen Bedingungen ebenfalls nur O-Phenylen-O-Einheiten sulfoniert.According to the method according to EP-A-041 780 at elevated temperature aromatic polyether ketones, which are copolymers, sulfonated. Just a part of the monomer units (A) is amenable to sulfonation, while others Monomer units (B) are not sulfonated. By the ratio A / B lets control the degree of sulfonation. However, they remain here Reaction conditions during the dissolving process and thereafter unchanged. Corresponding homopolymers (A) would be used under the specified conditions be sulfonated too high and thus lead to water-soluble compounds. There here the sulfonation already during the dissolving process of the polymer takes place, it is difficult to control the degree of sulfonation and low to obtain sulfonated products. In the process according to EP-A-041 780 are also only O-phenylene-O units under these conditions sulfonated.
Bei dem in EP-A-575 807 offenbarten Verfahren wird das zu sulfonierende Polymer bei Raumtemperatur in Schwefelsäure von 94 bis 97 Gew.-% suspendiert. Der Löseprozeß und eine teilweise Sulfonierung des Polymers laufen gleichzeitig ab, wobei allmählich eine viskose Lösung erhalten wird. Die Lösung wird mit einem sulfonierenden Agens versetzt bis die Schwefelsäurekonzentration 98 bis 99,9 Gew.-% beträgt. Die Lösung verbleibt bis der gewünschte Sulfonierungsgrad erreicht ist und wird dann aufgearbeitet. Unter diesen Bedingungen werden nur O-Phenylen-O-Einheiten sulfoniert, während O-Phenylen-CO-Einheiten nicht angegriffen werden. Dies wird auch von Daoust et al. (Polymer, Vol. 35 (25), 5491-5497 (1994)) bestätigt, wobei der Sulfonierungsprozeß beschränkt ist auf eine Sulfonsäuregruppe pro Wiederholungseinheit und auf eine der vier äquivalenten Positionen des von zwei Ethereinheiten umgebenen Phenylen rings. Die anderen beiden Phenylenringe werden nach Daoust von der benachbarten Ketoneinheit so stark desaktiviert, daß hier keine Sulfonierung stattfindet. In the process disclosed in EP-A-575 807, the one to be sulfonated Polymer at room temperature in sulfuric acid from 94 to 97% by weight suspended. The dissolution process and partial sulfonation of the polymer run off simultaneously, gradually obtaining a viscous solution. The A sulfonating agent is added to the solution until the Sulfuric acid concentration is 98 to 99.9 wt .-%. The solution remains until the desired degree of sulfonation is reached and is then worked up. Under these conditions, only O-phenylene-O units are sulfonated, while O-phenylene-CO units are not attacked. This is also from Daoust et al. (Polymer, Vol. 35 (25), 5491-5497 (1994)), the Sulfonation process is limited to one sulfonic acid group per Repetition unit and to one of the four equivalent positions of that of two Phenylene rings surrounding ether units. The other two phenylene rings are so strongly deactivated by the neighboring ketone unit according to Daoust, that no sulfonation takes place here.
Bei der Sulfonierung von Polyetherketonen unter Verwendung von Chlorsulfonsäure oder einem SO₃/Triethylphosphat-Komplex wird ein hoher Grad an Vernetzung sowie Zersetzung der Polymerhauptkette beobachtet (Marvel et al., Journal of Polymer Science, Polymer Chem. Edition, vol. 23, 2205-2223, (1985) und Bishop et. al., Macromolecules, Vol. 18, 86-93 (1985)).In the sulfonation of polyether ketones using Chlorosulfonic acid or a SO₃ / triethyl phosphate complex becomes a high degree of crosslinking and decomposition of the polymer main chain observed (Marvel et al., Journal of Polymer Science, Polymer Chem. Edition, vol. 23, 2205-2223, (1985) and Bishop et. al., Macromolecules, vol. 18, 86-93 (1985)).
Bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren werden von den eingesetzten Polyetherketonen nur O-Phenylen-O-Einheiten sulfoniert, während O-Phenylen-CO-Einheiten und CO-Phenylen-CO-Einheiten nicht oder nur zu einem verschwindend geringen Anteil sulfoniert werden oder bei Anwendung drastischerer Bedingungen erfolgt Vernetzung oder eine Zerstörung der Polymerhauptkette. Polymere, die keine O-Phenylen-O-Einheiten aufweisen, lassen sich nicht in signifikantem Umfang sulfonieren. Die bei Anwendung härterer Reaktionsbedingungen erhaltenen Produkte sind in den herkömmlichen Lösemitteln unlöslich und können daher über Lösung nicht oder nur sehr schwer weiterverarbeitet werden.In the methods known in the prior art, the used polyether ketones only sulfonated O-phenylene-O units, while O-phenylene-CO units and CO-phenylene-CO units not or only too be sulfonated to a negligible proportion or when used More drastic conditions result in networking or destruction of the Polymer backbone. Polymers that do not have O-phenylene-O units cannot be sulfonated to a significant extent. The in use Products obtained under harder reaction conditions are conventional Solvents are insoluble and can therefore not or only with difficulty with solution to be processed further.
Nach dem Stand der Technik war nicht zu erwarten, daß sich O-Phenylen-CO-Einheiten in einem Polyetherketon sulfonieren lassen. Ebenfalls war nach dem Stand der Technik nicht zu erwarten, daß sich entsprechend sulfonierte Produkte in herkömmlichen Lösemitteln lösen lassen. Nach dem Stand der Technik galt es als unmöglich, schonend in einem Polyetherketon Phenylenringe zu sulfonieren, die einer Ketogruppe direkt benachbart sind, wenn nicht gleichzeitig Vernetzung oder Abbau der Polymerhauptkette eintritt.According to the state of the art, it was not to be expected that Allow O-phenylene-CO units to sulfonate in a polyether ketone. Likewise According to the prior art, it was not to be expected that this would be the case Let sulfonated products dissolve in conventional solvents. After this State of the art was considered impossible, gentle in a polyether ketone To sulfonate phenylene rings that are directly adjacent to a keto group, if crosslinking or degradation of the polymer main chain does not occur at the same time.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein schonendes und kontrollierbares Verfahren zur Sulfonierung von Polyetherketonen der allgemeinen Formel (I) bereitzustellen, wobei sich mit diesem Verfahren neben O-Phenylen-O-Einheiten auch O-Phenylen-CO-Einheiten sulfonieren lassen und auf diese Weise neue sulfonierte Polyetherketone zu gewinnen. Weitere Aufgabe ist es, Lösungen dieser Polymere herzustellen. The object of the present invention is therefore a gentle and controllable process for the sulfonation of polyether ketones to provide general formula (I), with this method in addition to Let O-phenylene-O units also sulfonate O-phenylene-CO units and to obtain new sulfonated polyether ketones in this way. Another task is to make solutions of these polymers.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß sich erfindungsgemäße Polymere gut und kontrollierbar neben den O-Phenylen-O-Einheiten auch an O-Phenylen-CO-Einheiten sulfonieren lassen, wobei die erhaltenen Produkte ab einem gewissen Sulfonierungsgrad sogar löslich sind.Surprisingly, it has now been found that the invention Polymers well and controllable in addition to the O-phenylene-O units Allow O-phenylene-CO units to sulfonate, the products obtained starting are even soluble to a certain degree of sulfonation.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein sulfoniertes aromatisches Polyetherketon der allgemeinen Formel (II)The present invention therefore relates to a sulfonated aromatic Polyether ketone of the general formula (II)
[[Ar-O-]p-Ar-[[CO-Ar′-]x-O-Ar]m-[CO-Ar′-]y-[O-Ar-]n-CO-] (II)[[Ar-O-] p -Ar - [[CO-Ar′-] x -O-Ar] m - [CO-Ar′-] y - [O-Ar-] n -CO-] (II)
bei denen 1% bis 100% der O-Phenylen-CO-Einheiten mit einer SO₃H-Gruppe
substituiert sind und hierbei sulfonierte und unsulfonierte
O-Phenylen-CO-Einheiten sowie sulfonierte und unsulfonierte
O-Phenylen-O-Einheiten in beliebiger Reihenfolge zueinander stehen können
und wobei
Ar einen Phenylenring mit p- und/oder m-Bindungen,
Ar′ eine Phenylen-, Naphthylen-, Biphenylen-, Anthrylen-
oder eine andere zweiwertige aromatische Einheit,
x, n und m unabhängig voneinander 0 oder 1,
y 0, 1, 2 oder 3,
p 1, 2, 3 oder 4
bedeuten.in which 1% to 100% of the O-phenylene-CO units are substituted with an SO₃H group and here sulfonated and unsulfonated O-phenylene-CO units and sulfonated and unsulfonated O-phenylene-O units are in any order to one another can
and where
Ar is a phenylene ring with p and / or m bonds,
Ar ′ is a phenylene, naphthylene, biphenylene, anthrylene or other divalent aromatic unit,
x, n and m independently of one another 0 or 1,
y 0, 1, 2 or 3,
p 1, 2, 3 or 4
mean.
Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieser sulfonierten Polyetherketone der allgemeinen Formel (II), Polymerelektrolytlösungen enthaltend Polymere der allgemeinen Formel (II) sowie die Verwendung derartiger Polymerelektrolytlösungen.The present invention also relates to a method for producing this sulfonated polyether ketones of the general formula (II), Polymer electrolyte solutions containing polymers of the general formula (II) and the use of such polymer electrolyte solutions.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können aromatische Polyetherketone der allgemeinen Formel (I) auch an den O-Phenylen-CO-Einheiten sulfoniert werden. With the aid of the method according to the invention, aromatic Polyether ketones of the general formula (I) also on the O-phenylene-CO units are sulfonated.
In Übereinstimmung mit der veröffentlichten Literatur wird gefunden, daß die Sulfonierung bevorzugt an den O-Phenylen-O-Einheiten der Polyetherketone stattfindet. Überraschenderweise wurde gefunden, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bei höheren Sulfonierungsgraden auch ein signifikanter Anteil der O-Phenylen-CO-Einheiten sulfoniert wird.In accordance with the published literature, it is found that the Sulfonation is preferred on the O-phenylene-O units of the polyether ketones takes place. Surprisingly, it was found that with the help of process according to the invention also at higher degrees of sulfonation significant proportion of the O-phenylene-CO units is sulfonated.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man das aromatische Polyetherketon in Schwefelsäure von 94 bis 98 Gew.-% löst, man die erhaltenen Lösung mit einem sulfonierenden Agens versetzt, bis die Schwefelsäurekonzentration 98 bis 100 Gew.-% oder bis die Oleumkonzentration 0,01 bis 15 Gew.-% SO₃ beträgt, man eine geeignete Reaktionstemperatur einstellt und man den Reaktionsansatz aufarbeitet, sobald der gewünschte Sulfonierungsgrad erreicht ist.The process is characterized in that the aromatic Dissolves polyether ketone in sulfuric acid from 94 to 98 wt .-%, the obtained solution with a sulfonating agent until the Sulfuric acid concentration 98 to 100 wt .-% or until Oleum concentration 0.01 to 15 wt .-% SO₃ is, a suitable Setting the reaction temperature and working up the reaction mixture as soon as the desired degree of sulfonation has been reached.
Vorzugsweise wird das aromatische Polyetherketon in Schwefelsäure unter schonenden Bedingungen gelöst, d. h. unter Bedingungen, bei denen eine Sulfonierung weitgehend unterdrückt wird, bzw. es noch nicht zu einer Sulfonierung kommt. Vorzugsweise beträgt die Konzentration der zum Auflösen verwendeten Schwefelsäure 94 bis 97 Gew.-%. Die Lösetemperatur wird so niedrig wie möglich gewählt, um ein Einsetzen der Sulfonierungsreaktion in diesem Stadium weitgehend zu vermeiden. Im allgemeinen liegt die Lösetemperatur zwischen 10 und 80°C, insbesondere zwischen 20 und 70°C, vorzugsweise zwischen 30 bis 60°C.Preferably, the aromatic polyether ketone is submerged in sulfuric acid gentle conditions solved, d. H. under conditions where a Sulfonation is largely suppressed, or not yet Sulfonation is coming. The concentration is preferably that for dissolution used sulfuric acid 94 to 97 wt .-%. The dissolving temperature is like this chosen as low as possible to prevent the onset of the sulfonation reaction largely avoided at this stage. In general, the Dissolving temperature between 10 and 80 ° C, in particular between 20 and 70 ° C, preferably between 30 to 60 ° C.
Insbesondere bestehen sämtliche zweiwertigen zweiwertige aromatischen Reste Ar und Ar′ des zu sulfonierenden Polymers aus Phenylen, vorzugsweise aus 1,4-Phenylen.In particular, all divalent divalent aromatic radicals exist Ar and Ar 'of the polymer to be sulfonated from phenylene, preferably from 1,4-phenylene.
Bevorzugt werden Homopolymere der allgemeinen Formeln (III) und (IV) eingesetzt. Das beschriebene Sulfonierungsverfahren erlaubt unter kontrollierten Bedingungen die Sulfonierung von Polyetherketonen auch an O-Phenylen-CO-Einheiten. Homopolymers of the general formulas (III) and (IV) are preferred used. The sulfonation process described allows under controlled Conditions also the sulfonation of polyether ketones O-phenylene-CO units.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zu sulfonierende Polyetherketon ein Copolymer aus mindestens zwei verschiedenen Einheiten der Formeln (III), (IV) und (V).In a further preferred embodiment, this is to be sulfonated Polyether ketone is a copolymer of at least two different units of the Formulas (III), (IV) and (V).
Für das Homopolymer der Formel (III) werden beispielsweise nach einem Lösevorgang bei maximal 80°C und nach 5 h bei Raumtemperatur in Schwefelsäure von 95 oder 97 Gew.-% Sulfonierungsgrade von weniger als 14 mol-% bezogen auf eine Wiederholeinheit beobachtet.For the homopolymer of formula (III), for example, according to Dissolve at a maximum of 80 ° C and after 5 h at room temperature in Sulfuric acid of 95 or 97 wt% degrees of sulfonation less than 14 mol% based on a repeat unit was observed.
Für das Homopolymer der Formel (IV) werden z. B. nach einem Lösevorgang bei maximal 80°C und nach 24 h bei Raumtemperatur in Schwefelsäure von 95 oder 97 Gew.-% und bei einer Sulfonierungstemperatur im Bereich von 30 bis 90°C Sulfonierungsgrade von ca. 25 mol-% bezogen auf eine Wiederholeinheit beobachtet. For the homopolymer of formula (IV) z. B. after a release process maximum 80 ° C and after 24 h at room temperature in sulfuric acid from 95 or 97% by weight and at a sulfonation temperature in the range of 30 to 90 ° C degrees of sulfonation of about 25 mol% based on Repeat unit observed.
Bevorzugt sind Lösebedingungen, die zu einem Sulfonierungsgrad von maximal 35 mol-% bezogen auf eine Wiederholeinheit führen. Während des Lösevorgangs ist eine Sulfonierung der Hauptkette weitgehend unterdrückt. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, daß während des Lösevorgangs kein Abbau eintritt.Preferred are dissolving conditions that lead to a maximum degree of sulfonation 35 mol% based on a repeat unit. During the Solving process, sulfonation of the main chain is largely suppressed. Our own investigations have shown that none during the dissolving process Degradation occurs.
Als sulfonierendes Agens, das zur Erhöhung der Schwefelsäure-Konzentration und zur Sulfonierung dient, werden vorzugsweise Schwefelsäure, rauchende Schwefelsäure, Oleum, Chlorsulfonsäure und Schwefeltrioxid eingesetzt.As a sulfonating agent that increases the concentration of sulfuric acid and is used for sulfonation, preferably sulfuric acid, fuming Sulfuric acid, oleum, chlorosulfonic acid and sulfur trioxide are used.
In Abhängigkeit von dem Verhältnis der O-Phenylen-O-Einheiten zu den O-Phenylen-CO-Einheiten zu den CO-Phenylen-CO-Einheiten und in Abhängigkeit von der Abfolge dieser Einheiten entlang der Polymerhauptkette ändert sich das Sulfonierungsverhalten der Polyetherketone. Änderungen im Elektronenhaushalt der Phenylenringe beeinflussen direkt deren Sulfonierungsverhalten. Aber auch Nebenreaktionen werden durch Änderungen im Elektronenhaushalt der Phenylenringe beeinflußt: Die Kombination der Reaktionsparameter, der Schwefelsäurekonzentration, der Reaktionstemperatur und der Reaktionsdauer, bestimmt in welchem Maße O-Phenylen-O-Einheiten und O-Phenylen- CO-Einheiten sulfoniert werden und in welchem Maß Vernetzung über Sulfongruppen oder Hauptkettenabbau auftreten.Depending on the ratio of the O-phenylene-O units to the O-phenylene-CO units and depending on the CO-phenylene-CO units this changes from the sequence of these units along the main polymer chain Sulphonation behavior of the polyether ketones. Changes in the electron balance of the phenylene rings directly influence their sulfonation behavior. But also Side reactions are caused by changes in the electron balance of the Phenylene rings affected: The combination of the reaction parameters, the Sulfuric acid concentration, the reaction temperature and the reaction time, determines to what extent O-phenylene-O units and O-phenylene- CO units are sulfonated and to what extent cross-linking Sulfone groups or main chain degradation occur.
Für jedes Polyetherketon sind daher andere Kombinationen der Reaktionsparameter ideal, um einerseits einen hohen Anteil an sulfonierten O-Phenylen-CO-Einheiten zu erhalten und um andererseits Vernetzungsreaktionen und Kettenabbau auf einem möglichst geringen Niveau zu halten. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß man die geeignete Parameterkombination auswählt, um in diesem Sinne einen möglichst günstigen Verlauf der Sulfonierungsreaktion zu gewährleisten. For each polyether ketone, other combinations are therefore the Reaction parameters ideal, on the one hand, a high proportion of sulfonated Obtain O-phenylene-CO units and on the other hand Crosslinking reactions and chain degradation at the lowest possible level to keep. The inventive method is characterized in that selects the appropriate combination of parameters in order to To ensure the most favorable course of the sulfonation reaction.
Nach dem Lösevorgang wird die Konzentration der Schwefelsäure, z. B. durch Zugabe von Oleum, erhöht bis die Schwefelsäurekonzentration 98 bis 100 Gew.-% oder bis die Oleumkonzentration 0,01 bis 15 Gew.-% SO₃ beträgt, insbesondere bis die Schwefelsäurekonzentration 98,5 bis 100 Gew.-% oder bis die Oleumkonzentration 0,01 bis 5 Gew.-% SO₃ beträgt, vorzugsweise bis die Schwefelsäurekonzentration 98,5 bis 100 Gew.-% oder bis die Oleumkonzentration 0,01 bis 1 Gew.-% SO₃ beträgt.After the dissolving process, the concentration of sulfuric acid, e.g. B. by Addition of oleum until the sulfuric acid concentration increases from 98 to 100 wt .-% or until the oleum concentration is 0.01 to 15 wt .-% SO₃, in particular up to the sulfuric acid concentration of 98.5 to 100% by weight or up to the oleum concentration is 0.01 to 5 wt .-% SO₃, preferably until the Sulfuric acid concentration 98.5 to 100 wt .-% or until the Oleum concentration is 0.01 to 1 wt .-% SO₃.
Die Reaktionstemperatur bei der eigentlichen Sulfonierung kann höher oder auch niedriger liegen als beim Löseprozeß. Im allgemeinen sulfoniert man bei Temperaturen im Bereich von 10 bis 100°C, insbesondere 30 bis 95°C, besonders bevorzugt 50 bis 90°C. Sowohl eine Temperaturerhöhung als auch eine Verlängerung der Reaktionszeit bewirken eine Erhöhung des Sulfonierungsgrads des Polymers. Insbesondere beträgt die Temperatur der Lösung nach Zugabe des sulfonierenden Agens mindestens 30°C. Typische Reaktionszeiten liegen im Bereich von 45 Minuten bis 24 Stunden, vorzugsweise 1 und 8 Stunden, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 4 Stunden. Sobald der gewünschte Sulfonierungsgrad erreicht ist, wird die Reaktion abgebrochen und das Polymer z. B. im wäßrigen Milieu ausgefällt, isoliert und getrocknet.The reaction temperature in the actual sulfonation can be higher or higher are lower than in the dissolving process. In general, sulfonation Temperatures in the range from 10 to 100 ° C, in particular 30 to 95 ° C, particularly preferably 50 to 90 ° C. Both a temperature increase as well an extension of the reaction time causes an increase in Degree of sulfonation of the polymer. In particular, the temperature is Solution after adding the sulfonating agent at least 30 ° C. Typical Response times range from 45 minutes to 24 hours, preferably 1 and 8 hours, particularly preferably in the range of 1 to 4 hours. As soon as the desired degree of sulfonation is reached, the reaction is stopped and the polymer e.g. B. precipitated in an aqueous medium, isolated and dried.
Untersuchungen haben gezeigt, daß während der Sulfonierungsreaktion nur in geringem Maße ein Abbau der Polymerhauptkette eintritt. Gegebenenfalls vorhandene CO-Phenylen-CO-Einheiten des eingesetzten aromatischen Polyetherketons werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht sulfoniert.Studies have shown that during the sulfonation reaction only in Minor degradation of the main polymer chain occurs. Possibly existing CO-phenylene-CO units of the aromatic used Polyether ketones are not used in the process of the invention sulfonated.
Der Vorteil der sulfonierten O-Phenylen-CO-Einheiten im Vergleich zu sulfonierten O-Phenylen-O-Einheiten in herkömmlichen Polymeren liegt unten anderem in der besseren hydrolytischen Stabilität der SO₃H-Gruppen. In wäßriger Umgebung und bei erhöhten Temperaturen kann Desulfonierung der sulfonierten Polyetherketone auftreten. Es ist bekannt, daß das Maß der hydrolytischen Desulfonierung von dem Elektronenreichtum der aromatischen Ringe abhängt.The advantage of sulfonated O-phenylene-CO units compared to sulfonated O-phenylene-O units in conventional polymers is below other in the better hydrolytic stability of the SO₃H groups. In aqueous environment and at elevated temperatures can desulfonate the sulfonated polyether ketones occur. It is known that the measure of hydrolytic desulfonation from the electron wealth of aromatic Rings depends.
Beim Einsatz von sulfonierten Polymeren im wäßrigen Medium ist es unabdingbar, daß die Eigenschaften des sulfonierten Polymers konstant bleiben. Bei solchen Anwendungen ist es daher vorteilhaft ein sulfoniertes Polyetherketon zu verwenden, das Desulfonierung nicht oder nur zu einem geringem Umfang zuläßt. Ein Polymer, dessen Sulfonsäuregruppen zu einem möglichst hohem Grade an O-Phenylen-CO-Einheiten lokalisiert sind, ist demnach in solchen Fällen insbesondere geeignet.It is when using sulfonated polymers in the aqueous medium indispensable that the properties of the sulfonated polymer remain constant. In such applications it is therefore advantageous to use a sulfonated one To use polyether ketone, the desulfonation not or only to one to a limited extent. A polymer whose sulfonic acid groups become one are localized as high as possible to O-phenylene-CO units therefore particularly suitable in such cases.
Das beschriebene Verfahren ergibt Sulfonierungsprodukte, die sich ab einem bestimmten Sulfonierungsgrad in herkömmlichen Lösemitteln, wie z. B. NMP oder DMSO, lösen lassen. Die auf diese Weise hergestellten Polymerelektrolytlösungen enthalten in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens 1 Gew.% Polyetherketone der Formel (II) und als Hauptbestandteil aprotische dipolare Lösemittel, wie z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP) oder Dimethylsulfoxid (DMSO).The process described results in sulfonation products that start from one certain degree of sulfonation in conventional solvents, such as. B. NMP or DMSO. The manufactured in this way In a preferred embodiment, polymer electrolyte solutions contain at least 1% by weight of polyether ketones of the formula (II) and as the main constituent aprotic dipolar solvents, such as. B. N-methylpyrrolidone (NMP) or Dimethyl sulfoxide (DMSO).
Je nach weiterem Verwendungszweck der Polymerelektrolytlösung kann diese gegebenenfalls ein weiteres unsulfoniertes Polymer oder auch geringe Anteile von Hilfsstoffen enthalten.Depending on the intended use of the polymer electrolyte solution, it can optionally a further unsulfonated polymer or small proportions of auxiliary substances included.
Die erfindungsgemäßen Polymerelektrolytlösungen eignen sich insbesondere zur Herstellung von asymmetrischen Membranen, zum Beispiel für die Nano-, Ultra- oder Mikrofiltration sowie zur Herstellung von dichten Filmen mit einer Dicke im Bereich von 5 µm bis 1 mm.The polymer electrolyte solutions according to the invention are particularly suitable for Manufacture of asymmetrical membranes, for example for the nano, ultra or microfiltration and for the production of dense films with a thickness in Range from 5 µm to 1 mm.
Eine besonders wichtige Rolle kommt den erfindungsgemäßen Polymerelektrolytlösungen bei der Herstellung eines besonders intensiven Kontaktes zwischen zwei Polymerelektrolytoberflächen zu. Eine poröse oder rauhe Oberfläche kann so z. B. nach Kontaktieren der Lösung mit einem Fällungsmittel erzielt werden. A particularly important role is played by the invention Polymer electrolyte solutions in the manufacture of a particularly intense Contact between two polymer electrolyte surfaces. A porous or rough surface can e.g. B. after contacting the solution with a Precipitating agents can be achieved.
In einer Vierhals-Rührapparatur mit Tropftrichter und Ölbad wurde 96%ige konzentrierte Schwefelsäure vorgelegt und verschiedene Polyetherketone der allgemeinen Formel (I) gelöst. Danach wurde Oleum (Gehalt 20 Gew.-% SO₃) zutitriert, bis ein sulfonierendes Gemisch erreicht wurde mit Schwefelsäurekonzentrationen von 98,5 bis 100 Gew.-% oder Oleumkonzentrationen von 0,1 bis 0,7 Gew.-% SO₃. Anschließend wurden die Mischung auf Reaktionstemperatur gebracht, um eine optimale und kontrollierte Sulfonierung zu gewährleisten. Nach Erreichen des gewünschten Sulfonierungsgrades wurde die Reaktion gestoppt und das Produkt isoliert. Die Charakterisierung des Produktes erfolgt mittels Viskosimetrie, ¹³C-NMR-Spektroskopie und Elementaranalyse.In a four-neck stirrer with dropping funnel and oil bath, 96% was Concentrated sulfuric acid and various polyether ketones general formula (I) solved. Then oleum (content 20 wt .-% SO₃) titrated until a sulfonating mixture was reached with Sulfuric acid concentrations of 98.5 to 100 wt .-% or Oleum concentrations of 0.1 to 0.7 wt .-% SO₃. Then the Mixture brought to reaction temperature for optimal and controlled To ensure sulfonation. After reaching the desired one Degree of sulfonation, the reaction was stopped and the product isolated. The Characterization of the product takes place by means of viscometry, 13 C NMR spectroscopy and elemental analysis.
Die Versuche in Tabelle 1 wurden mit einem Homopolymeren der allgemeinen
Formel (III) durchgeführt. Die Versuche in Tabelle 2 wurden mit einem
Homopolymeren der allgemeinen Formel (IV) durchgeführt. In den Tabellen
werden folgende Abkürzungen benutzt:
NR Versuchsnummer
LT Lösetemperatur in°C
PK Polymerkonzentration in Gew.-%
RK Reaktionskonzentration von Oleum in Gew.-% SO₃
RC Reaktionskonzentration von Schwefelsäure in Gew.-% H₂SO₄
RT Reaktionstemperatur in °C (Sulfonierungstemperatur)
RZ Reaktionszeit in min
SG Sulfonierungsgrad in mol-% bezogen auf eine Wiederholungseinheit
SEE Sulfonierungsgrad der O-Phenylen-O-Einheiten in mol-% bezogen auf eine
Wiederholungseinheit
SEK Sulfonierungsgrad der O-Phenylen-CO-Einheiten in mol-% bezogen auf
eine Wiederholungseinheit
IV inhärente Viskosität in dl/g (gemessen in konz. H₂SO₄ bei 25°C)
The experiments in Table 1 were carried out with a homopolymer of the general formula (III). The experiments in Table 2 were carried out with a homopolymer of the general formula (IV). The following abbreviations are used in the tables:
NR trial number
LT release temperature in ° C
PK polymer concentration in% by weight
RK reaction concentration of oleum in wt .-% SO₃
RC reaction concentration of sulfuric acid in wt .-% H₂SO₄
RT reaction temperature in ° C (sulfonation temperature)
RZ response time in min
SG degree of sulfonation in mol% based on a repeat unit
SEE Degree of sulfonation of the O-phenylene-O units in mol% based on a repeat unit
SEK Degree of sulfonation of the O-phenylene-CO units in mol% based on a repeat unit
IV inherent viscosity in dl / g (measured in conc. H₂SO₄ at 25 ° C)
Claims (23)
und wobei
Ar einen Phenylenring mit p- und/oder m-Bindungen,
Ar′ eine Phenylen-, Naphthylen-, Biphenylen-, Anthrylen- oder eine andere zweiwertige aromatische Einheit,
x, n und m unabhängig voneinander 0 oder 1,
y 0, 1, 2 oder 3,
p 1, 2, 3 oder 4
bedeuten und die Kombination p = 1, m = 0, y = 2, n = 1 ausgenommen ist.1. Sulfonated aromatic polyether ketone of the general formula (II) [Ar-O-] p -Ar - [[CO-Ar′-] x -O-Ar] m - [CO-Ar′-] y - [O-Ar -] n -CO-] (II) in which 1% to 100% of the O-phenylene-CO units are substituted with a SO₃H group and here sulfonated and unsulfonated O-phenylene-CO units and sulfonated and unsulfonated O- Phenylene O units can be in any order to one another,
and where
Ar is a phenylene ring with p and / or m bonds,
Ar ′ is a phenylene, naphthylene, biphenylene, anthrylene or other divalent aromatic unit,
x, n and m independently of one another 0 or 1,
y 0, 1, 2 or 3,
p 1, 2, 3 or 4
mean and the combination p = 1, m = 0, y = 2, n = 1 is excluded.
Ar′ ist eine Phenylen-, Naphthylen-, Biphenylen-, Anthrylen- oder eine andere zweiwertige aromatische Einheit,
r, u und s sind unabhängig voneinander 0 oder 1,
t ist 0, 1, 2 oder 3 und
q ist 1, 2, 3 oder 4
in Schwefelsäure von 94 bis 97 Gew.-%, versetzen der erhaltenen Lösung bei einer geeigneten Temperatur mit einem sulfonierenden Agens und Aufarbeitung des so erhaltenen Reaktionsansatzes sobald der gewünschte Sulfonierungsgrad erreicht ist.2. Process for the preparation of a polyether ketone of the general formula (II), where Ar, Ar ', x, n, m, y and p have the meaning given in claim 1, by dissolving a polyether ketone of the general formula (I) wherein Ar, Ar ′, q, r, s, t and u have the following meanings: [Ar-O-] q -Ar - [[CO-Ar′-] r -O-Ar] s - [CO-Ar′-] t - [O-Ar] u -CO-] (I) Ar is a phenylene ring with p and / or m bonds,
Ar ′ is a phenylene, naphthylene, biphenylene, anthrylene or other divalent aromatic unit,
r, u and s are independently 0 or 1,
t is 0, 1, 2 or 3 and
q is 1, 2, 3 or 4
in sulfuric acid from 94 to 97% by weight, add a sulfonating agent to the solution obtained at a suitable temperature and work up the reaction mixture thus obtained as soon as the desired degree of sulfonation has been reached.
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---|---|---|---|---|
US6274749B1 (en) * | 1997-07-29 | 2001-08-14 | Hoechst Research & Technology Gmbh & Co. Kg | High-temperature resistant sulfonated aromatic polyether ketone cation exchangers and sulfonated poly (phenylene sulfide) cation exchangers as catalysts at reaction temperature above 150° C |
-
1995
- 1995-03-20 DE DE19510026A patent/DE19510026A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6274749B1 (en) * | 1997-07-29 | 2001-08-14 | Hoechst Research & Technology Gmbh & Co. Kg | High-temperature resistant sulfonated aromatic polyether ketone cation exchangers and sulfonated poly (phenylene sulfide) cation exchangers as catalysts at reaction temperature above 150° C |
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